二相粒子材料再结晶退火的元胞自动机模型及其模拟研究

论文摘要

随着材料科学和计算机技术的发展,材料的制备正从传统的正向研究向逆向研究过渡:从材料组分、微观结构或性能出发,借助计算机模拟来设计工艺和预测材料性质或组分、微观结构,以生成满足使用要求的材料。材料中存在的二相粒子主要是加入合金以改善性能的产物。其中,合金化和控轧控冷技术已被普遍用于低碳钢生产中以细化晶粒组织。合金化的作用是在材料中形成足够数量、细小的二相粒子,以影响到热变形材料和冷变形材料的动态再结晶、静态再结晶行为及其相应的组织变化,特别是对于冷变形材料退火期间再结晶和晶粒长大过程的影响直接决定了其最终组织结构和性能。Cellular Automata（CA）模型是近10多年来发展起来的一种材料组织模拟模型,在材料晶粒长大和再结晶模拟中得到广泛应用。但是,对于含有二相粒子变形材料的退火过程计算机模拟应用还未及时开展,这与该模型非常适合于模拟二相粒子与基体之间局部交互作用所引起的组织演变过程的特点是不相称的。事实上,构建含有二相粒子的变形材料CA模型以模拟其再结晶和晶粒长大组织演变过程,不仅可实现二相粒子的体积分数、尺寸及其分布等参数对退火组织影响的模拟研究,实现退火过程微观组织设计、工艺控制及其性能预报,为退火工艺优化和高性能材料设计与开发打下了坚实基础,而且进一步挖掘了CA模型的潜力,拓展了其应用范围。因此,及时开展含有二相粒子的变形材料再结晶退火CA模型及其模拟研究具有重要的理论和实际意义。本文基于CA方法、金属学和材料再结晶等相关理论,提出并建立了具有较强物理基础的单相材料变温回复-再结晶和晶粒长大的CA模型;在这些模型的基础上,创建了二相粒子材料变温回复-再结晶和晶粒长大CA模型,进而得到了二相粒子材料退火组织CA模型;自主开发了相关再结晶模拟的关键技术;采用C++编程语言,编写了上述模型的应用程序,并开展了相关的模拟研究和实验研究,对模型的合理性及其应用效果进行了检验。首先,分析了现有的晶粒长大CA模型的不足,基于曲率和能量机制,提出了元胞取向状态转变的二次判断方式和相应规则,建立了具有更好物理基础的晶粒长大CA模型。该模型将晶界能作为晶粒长大的驱动力,考虑了晶界曲率对晶界移动方向的影响,解决了晶界朝曲率中心运动方向与及能量降低方向不一致的问题,晶粒尺寸分布更为理想。其次,以单相材料正常晶粒长大的CA模型为基础,引入二相粒子影响及其对应的改进转变规则,建立了一个新的二相粒子材料晶粒长大过程CA模型。该模型的模拟结果很好地反映了二相粒子体积分数、尺寸及其分布对晶粒长大的影响规律,并与相关实验结果相符。然后,分析了现有再结晶CA模型存在的储存能均匀分布、形核机制不完善、温度恒定、忽略回复影响等不足,基于相关实验研究,建立了一个新的具有明确物理基础的单相材料变温回复-再结晶CA模型。该模型特点在于:①采用非均匀储能场,初步解决了冷变形材料储存能分布不均匀问题;②基于亚晶异常长大形核机制,并考虑了回复对形核过程的影响;③考虑了温度变化对再结晶过程的影响。与原有模型相比,该模型的模拟结果更正确地反映了退火温度和变形程度对再结晶过程的影响规律,并与相关实验结果更加接近。随后,根据细小及大尺寸二相粒子对再结晶过程影响的相关实验研究,在单相材料变温回复-再结晶CA模型基础上,创建了二相粒子材料变温回复-再结晶CA模型。该模型综合考虑了与二相粒子尺度有关的位错运动及其分布状态,改进了储存能模型和晶核长大模型,较好地模拟了二相粒子对再结晶影响的实验规律。最后,基于二相粒子材料变温回复-再结晶模型和晶粒长大CA模型,得到了一个二相粒子材料退火组织CA模型。为了验证该模型的合理性及其应用效果,分别以两组冷轧钢板为研究对象,实验研究了含有二相粒子和二相粒子含量不同条件下再结晶退火组织变化过程,并与其模拟结果进行了对比。结果表明:本文所建模型能较准确地模拟二相粒子材料的冷轧组织、再结晶形核位置、再结晶完成组织及随后的晶粒长大组织;模拟的二相粒子对再结晶过程的影响规律与退火实验预测结果及相关再结晶理论一致:二相粒子的存在阻碍了再结晶进行,使再结晶形核及晶核长大过程滞后,且粒子含量越多,影响效果越明显。模拟的退火速度与实际值相比存在一定的误差,这与模型假设、实验误差等有关,进一步完善该模型有助于其模拟精度的提高和实际应用的拓展。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 立题背景及意义
• 1.2 再结晶退火理论及实验研究
• 1.2.1 冷变形金属
• 1.2.2 回复机理
• 1.2.3 初次再结晶理论
• 1.2.4 晶粒长大理论
• 1.2.5 二相粒子的实验研究
• 1.3 退火过程计算机模拟研究
• 1.3.1 常用的研究模型
• 1.4 本文研究内容及技术路线
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 技术路线
• 第二章 CA模型及其在材料组织模拟中的应用
• 2.1 元胞自动机的基础知识
• 2.1.1 元胞自动机的定义
• 2.1.2 元胞自动机的构成
• 2.1.3 元胞自动机的特征
• 2.1.4 元胞自动机的分类
• 2.2 元胞自动机在材料组织模拟研究中的应用现状
• 2.2.1 凝固结晶过程的CA模型
• 2.2.2 静态再结晶过程的CA模型
• 2.2.3 晶粒长大过程的CA模型
• 2.2.4 动态再结晶过程的CA模型
• 2.2.5 元胞自动机模拟材料微观组织的局限性
• 2.3 基于元胞自动机方法的材料微观组织模拟关键技术
• 2.3.1 可视化仿真技术
• 2.3.2 再结晶过程模拟关键技术
• 2.3.3 晶粒长大过程模拟关键技术
• 2.4 模拟假设
• 2.5 本章小结
• 第三章 一种改进的单相材料晶粒长大 CA模型
• 3.1 前言
• 3.2 晶粒长大过程
• 3.2.1 晶粒长大过程的驱动力
• 3.2.2 晶粒长大动力学方程
• 3.2.3 晶粒尺寸分布
• 3.3 模型的建立
• 3.3.1 能量模型
• 3.3.2 元胞取向转变规则的改进
• 3.3.3 模拟流程
• 3.4 模型的验证
• 3.4.1 模拟条件
• 3.4.2 晶粒长大拓扑学分析
• 3.4.3 晶粒长大动力学分析
• 3.4.4 与原有模型的对比
• 3.4.5 实验验证
• 3.5 本章小结
• 第四章 二相粒子材料晶粒长大 CA模型
• 4.1 前言
• 4.2 相关实验与理论研究
• 4.2.1 二相粒子钉扎晶界物理机制
• 4.2.2 二相粒子阻碍晶粒长大的基本规律
• 4.3 模型的建立
• 4.3.1 模型的建立
• 4.3.2 模拟流程
• 4.4 模型的验证
• 4.4.1 二相粒子对单一晶粒长大过程的影响
• 4.4.2 二相粒子尺寸对晶粒长大过程的影响
• 4.4.3 二相粒子体积分数对晶粒长大过程的影响
• 4.4.4 不同尺寸分布的二相粒子对晶粒长大过程的影响
• 4.4.5 初始晶粒组织对二相粒子钉扎作用的影响
• 4.5 实验验证
• 4.6 本章小结
• 第五章 单相材料变温回复-再结晶 CA模型及其模拟研究
• 5.1 前言
• 5.2 相关实验及理论研究
• 5.2.1 材料变形的不均匀及其影响
• 5.2.2 亚晶异常长大形核机制
• 5.3 模型的建立
• 5.3.1 初始能量场的建立
• 5.3.2 回复模型
• 5.3.3 形核模型
• 5.3.4 晶界迁移模型
• 5.3.5 实时转换模型
• 5.3.6 温度模型
• 5.3.7 模拟流程
• 5.4 模型的模拟及其验证
• 5.4.1 退火均热温度对再结晶过程的影响
• 5.4.2 压下率对再结晶过程的影响
• 5.4.3 与原有模型的对比
• 5.4.4 实验验证
• 5.5 本章小结
• 第六章 二相粒子材料变温回复-再结晶CA模型及其模拟研究
• 6.1 前言
• 6.2 相关实验与理论研究
• 6.2.1 二相粒子对其周围基体变形区域的影响
• 6.2.2 二相粒子对形核过程的影响
• 6.2.3 二相粒子对晶界迁移的影响
• 6.3 模型的建立
• 6.3.1 模型的二相粒子影响假设
• 6.3.2 初始能量场的建立
• 6.3.3 亚晶初始参数
• 6.3.4 亚晶长大模型
• 6.3.5 形核模型
• 6.3.6 晶界迁移模型
• 6.3.7 模拟流程
• 6.4 模型的模拟及其验证
• 6.4.1 弥散细小的二相粒子对再结晶过程的影响
• 6.4.2 大尺寸二相粒子激发形核模拟研究
• 6.5 本章小结
• 第七章 二相粒子材料变温回复-再结晶模型的实际应用与检验
• 7.1 前言
• 7.2 二相粒子对再结晶退火过程影响的研究
• 7.2.1 实验材料及实验方案
• 7.2.2 模拟条件
• 7.2.3 实验与模拟结果分析
• 7.3 二相粒子体积分数和尺寸对再结晶退火过程影响的研究
• 7.3.1 实验材料及实验方案
• 7.3.2 模拟条件
• 7.3.3 实验与模拟结果分析
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 主要工作及创新性成果
• 8.2 进一步研究工作的建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间完成的论文及参与的项目
• 英文论文
• 学位论文评阅及答辩情况表